JP2006258661A - 有機トランジスタ型バイオセンサーおよびバイオセンサ測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高感度でターゲット分子を検出することができる有機トランジスタ型バイオセンサーを提供する。
【解決手段】 ターゲット分子８ａ，８ｂに対して感応性を有する有機トランジスタを備えたバイオセンサーであって、前記有機トランジスタがゲート電極２、ソース電極４、ドレイン電極４、ゲート絶縁膜３および有機物を含む半導体層５を有し、前記半導体層５が膜厚１００ｎｍ以下で、かつ前記半導体層の表面にターゲット分子に対して感応性を有する表面層７ａ，７ｂが配置される有機トランジスタ型バイオセンサー。
【選択図】 図１

Description

本発明は、有機トランジスタ型バイオセンサーおよびバイオセンサ測定方法に関し、特に有機半導体層に有機分子の検出能力を持つバイオセンサーに関する。

近年、ゲノム解析技術などの進歩によって、多くのデオキシリボ核酸（ＤＮＡ）が解析され、一部の相互作用、効果が確認されるに至っている。しかしながら、臨床検査医学分野における適用のためには、ＤＮＡの解析のみならず、ＤＮＡの働きが詳細に解明されなければならず、さらに相当の時間と労力が必要と考えられる。

一方、臨床検査医学分野では、コールターカウンターをはじめとする血球の自動分析や、酵素法、蛍光標識による分析などが実用化されているが、検査項目の増大、検体数の劇的な増加により、費用、労力とも増大の一途をたどっている。また、ＤＮＡチップ類似のマイクロアレイを使用した検出の場合、専ら蛍光標識に依存したものであり、光学的な解析装置を必要とする。

これらの現状を踏まえ、シリコン系ＬＳＩ技術を応用したものなど、いくつかのアプローチが提案されている。第１は、Ｂｉａｃｏｒｅ社による、表面プラズモン共鳴を検出する光学的手法がある（非特許文献１）、第２は、電界効果型トランジスタのゲート電極に、蛋白質や酵素を付加した構造が提案されている（特許文献１）、第３は、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板上に電界効果型トランジスタを形成し、そのゲート電極に感応性表面を配置する構成が提案されている（特許文献２）、第４は、有機物を含む電界効果トランジスタセンサであり、その基本的な構成が開示されている（特許文献３）。

発明者らの知る限りにおいては、これらバイオセンサー、マイクロチップの類は、蛍光標識を用いたり、表面プラズモン共鳴を用いる光学的手法と、シリコン半導体などの無機半導体を用いたトランジスタのゲート電極に蛋白質等の感応性表面を配置する、電子的手法に大別することができる。
特開平１０−２６０１５６号公報 特開２００３−３２９６３８号公報 特開平１−１９３６４０号公報 Ｂｉａｃｏｒｅ社ホームページ ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｂｉａｃｏｒｅ．ｃｏ．ｊｐ、２００５年２月

前述したように、従来使用されている技術の場合、多くは蛍光標識を用いる光学的検出手段を必要としている。このため、生化学的な前処理を必要とし、検知対象物質の多くが不活性化してしまう欠点がある。また、単色光源や分光器などの光学機器や画像処理システムなど、高価なシステムを必要とする欠点もある。

また、電子的手法においては、従来の無機半導体を用いたトランジスタのゲート電極に蛋白質などの感応性表面を配置する構造が多く提案されている。この場合、検知できるのはあくまでゲート電極電位の変動のみであり、ターゲット物質（検知対象物質）に対する選択性、感度の面で問題があった。特にある種の腫瘍マーカーでは、検出そのものに困難があった。

電子的手法のうち、有機物を含む半導体層を持つものは、従来は安定な動作と十分な感度が得られないなどのため、ほとんど実施された例がない。
本発明の目的は、このような従来の課題を解決すべく、光学機器などのシステムを要しないで、高感度でターゲット分子を検出することができる有機トランジスタ型バイオセンサーおよびバイオセンサ測定方法を提供することにある。

すなわち、本発明は、ターゲット分子に対して感応性を有する有機トランジスタを備えたバイオセンサーであって、前記有機トランジスタがゲート電極、ソース電極、ドレイン電極、ゲート絶縁膜および有機物を含む半導体層を有し、前記半導体層が膜厚１００ｎｍ以下で、かつ前記半導体層の表面にターゲット分子に対して感応性を有する表面層が配置されることを特徴とする有機トランジスタ型バイオセンサーである。

また、本発明は、上記の有機トランジスタ型バイオセンサーに捕捉されたターゲット分子を検出するバイオセンサー測定方法であって、前記有機トランジスタのゲート電極およびドレイン電極に電圧を印加し、ゲート電圧とドレイン電流を測定して前記トランジスタの特性を評価し、前記バイオセンサーに補足されたターゲット分子の有無または濃度を同定する工程を有することを特徴とするバイオセンサ測定方法である。

本発明の有機トランジスタ型バイオセンサーは、有機物を含む半導体層を活性層として用い、その表面にターゲット分子に対し感応する表面層を配置することで、他の電子系トランジスタ型バイオセンサーにない効果を得ることができる。

すなわち、従来のゲート電極に感応層を配置する構成では、ゲート電極の電位変化のみが検知可能（トランジスタの閾値変化として現れる）であるのに対して、本発明においては、トランジスタの閾値電圧、ドレイン電流最大値、ドレイン電流最小値、オフ電流値、キャリヤ移動度、サブスレッショルドスイング値、およびその温度依存値、履歴値の変化など多くの特性変化として観測することができ、高感度の検知、解析が可能となる。

本発明の有機トランジスタ型バイオセンサーは、有機物を含む半導体層を活性層として用い、その表面にターゲット分子に対し感応する表面層を配置することで、高感度でターゲット分子を検出することができる。

また、本発明のバイオセンサ測定方法は、上記の有機トランジスタ型バイオセンサーを用いることにより、高感度でターゲット分子を検知、解析することができる。

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の有機トランジスタ型バイオセンサーは、ターゲット分子に対して感応性を有する有機トランジスタを備えたバイオセンサーであって、前記有機トランジスタがゲート電極、ソース電極、ドレイン電極、ゲート絶縁膜および有機物を含む半導体層を有し、前記半導体層が膜厚１００ｎｍ以下で、かつ前記半導体層の表面にターゲット分子に対して感応性を有する表面層が配置されることを特徴とする。

ここで、ターゲット分子とは、検知される分子であって、有機分子または無機分子を含んでも良い。たとえば、生体内における、抗体、ホルモン、酵素、腫瘍マーカー、酸素、ウイルス、ＤＮＡなど、その他指標となる蛋白質などがこれにあたる。

有機トランジスタには、電界効果型トランジスタが用いられ、一般にチャネルを形成する、半導体からなる活性層、ゲート電極、ソース電極、ドレイン電極を備える。本発明では、半導体層が有機物を含む半導体によって構成されていることが特徴である。有機物を含む半導体としては、一例として、ペンタセンなどのアセン系有機化合物、ポルフィリン系有機化合物、ポリチオフェン系有機化合物、フタロシアニン系有機化合物などが用いられる。

また、この半導体層表面に前記ターゲット分子に対して感応性を有する表面層を配置する点が、本発明の大きな特徴である。半導体層表面に前記表面層を配置することにより、ターゲット分子が付着した際、電位の変化のみならず、キャリヤ密度の変化、キャリヤ移動度の変化、オフ電流量の変化、オン／オフ比の変化など多くの特性変化をもたらす。この点は、従来のゲート電極に感応層を設けた場合と大きく異なる利点である。

また、前記半導体層が膜厚１００ｎｍ以下、好ましくは１０〜７０ｎｍであることが望ましい。前記表面層にターゲット分子が付着する際、高感度を維持するために、前記半導体層の薄膜化が必要である。

また、本発明においては、前記ソース電極および前記ドレイン電極と、ゲート絶縁膜によって、前記半導体層を挟む構造をとることが、より好ましい。この構造をトップコンタクト構造と称するが、トランジスタの特性再現性、平準化のために有効である。

また、前記表面層が有機分子から構成されてもよい。
また、前記表面層が酵素、抗体、抗原、ホルモン、蛋白質の一部又は全部を含む有機物から構成されてもよい。

さらに、前記表面層がアミノ基、カルボキシル基、アルデヒド基、水酸基、デオキシリボ核酸の一部分、蛋白質の一部分などを含む有機分子であればより好ましい。
同一基板上に２個以上の前記トランジスタが配置され、２種以上の前記表面層が前記トランジスタの半導体層にそれぞれ配置されることにより、より多くの情報を得ることができる。すなわち、複数種類のターゲット分子に対して、分析評価可能なバイオセンサーを提供することができる。

また、前記表面層が有機分子の自己組織化単分子膜から構成されてもよい。この場合、前記表面層が、単分子ほどの膜厚となるために、ターゲット分子が付着した際の影響が半導体層に伝わりやすいため、より高い感度が得られる利点がある。

また、本発明によって、前記トランジスタのゲート電極、ドレイン電極に電源を接続し、ゲート電圧とドレイン電流の関係から、前記トランジスタの特性を分類し、前記ターゲット分子の有無、濃度を同定する、前記バイオセンサーを用いた測定方法を提供することができる。本発明による有機トランジスタ型バイオセンサーは、複数のトランジスタ特性の変化を観測できるため、これらの特性を分類しておくことにより、ターゲット分子の有無、濃度などを同定することが可能になる。

このため、あらかじめ規定されたドレイン電圧とゲート電圧における、前記トランジスタの特性評価において、トランジスタの閾値電圧、ドレイン電流最大値、ドレイン電流最小値、オフ電流値、キャリヤ移動度、サブスレッショルドスイング値、およびその温度依存値、履歴値の少なくとも１つの値を分類することにより、前記ターゲット分子の有無、濃度を同定することが可能となる。この点は、従来のバイオセンサーにない特長である。

このような評価は、前記ターゲット分子を含む液体を、前記トランジスタの前記表面層に接触させ、前記ターゲット分子と前記表面層を構成する分子とが結合させる工程を含むことによりなされる。

以下に図面に示す好ましい実施の形態を挙げて、本発明をさらに詳細に説明する。
図１および図２は、本発明にかかる有機トランジスタ型バイオセンサーの構造を示す模式図である。同図に示す様に、基板１上にゲート電極２が配置され、ゲート電極２を覆うようにゲート絶縁膜３が形成される。さらに、有機物を含む半導体層５が形成された後、ソース／ドレイン電極４が配置され、保護膜６によって、前記半導体層の一部（ゲート電極、ソース／ドレイン電極近傍）が露出されるように開口部９を設けるように保護される。前述のように、前記半導体層は、トランジスタの半導体層として機能する。また、前記半導体層５（半導体層）表面には、ターゲット分子８ａ、８ｂに感応する表面層７ａ、７ｂを配置する。表面層７ａは、選択的にターゲット分子８ａと結合し、表面層７ｂは、選択的にターゲット分子８ｂと結合する。

有機トランジスタ型バイオセンサーの特性の評価は、トランジスタの閾値電圧、ドレイン電流最大値、ドレイン電流最小値、オフ電流値、キャリヤ移動度、サブスレッショルドスイング値、およびその温度依存値、履歴値の少なくとも１つの値を分類することにより、前記ターゲット分子の有無または濃度を同定することにより行なう。また、ターゲット分子を含む液体を前記有機トランジスタの表面層に接触させ、前記ターゲット分子と前記表面層を構成する分子とを結合させる。

実施例１
本実施例の有機トランジスタ型バイオセンサーの構造を図３に示す。
ガラス基板１０上に有機薄膜トランジスタ（Ｏｒｇａｎｉｃ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を形成した。アルミニウムからなるゲート電極１１、窒化シリコンからなるゲート絶縁膜１２、有機半導体としてペンタセン（Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ）薄膜１３、保護膜１４としてポリビニルアルコール膜、ソース電極およびドレイン電極として金電極１５を用いた。ゲート絶縁膜の膜厚は８００ｎｍ、ペンタセン薄膜の膜厚は７０ｎｍであった。また、ゲート長５０μｍ、ゲート幅３ｍｍであった。

抗原（Ａｇ）１７、抗体（Ａｂ）１６として、ヒト前立腺特異抗体（ＰＳＡ；Ｐｒｏｓｔａｔｉｃ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ａｎｔｉｇｅｎ）をリン酸緩衝液によって希釈し、濃度を１０ｎｇ／ｍｌとして用いた。

まず、有機薄膜トランジスタの初期特性を測定する。ソース電極を接地し、ドレイン電極に−８０Ｖの低電圧を印加し、ゲート電極に＋３０Ｖから−８０Ｖの電圧を印加し、ドレイン電流の変化を測定する。

次に、ＰＳＡ抗体希釈液を有機薄膜トランジスタチャネル部分に滴下し、ＰＳＡ抗体をペンタセン表面に固定化し、表面層とする。そして、このトランジスタの特性を測定する。

さらに、ＰＳＡ抗原希釈液をさらに有機薄膜トランジスタチャネル部分に滴下し、ＰＳＡ抗原を表面層表面に固定化させる。そして、再びこのトランジスタの特性を測定する。
この結果、図４に示すような特性を得た。図４から、有機薄膜トランジスタがＰＳＡ抗体、抗原の付着に対し、明確な特性変動を示すことがわかる。

また、この有機半導体層の膜厚とこのセンサの感度（ドレイン電流の変動幅）は、強い相関があり、１００ｎｍ以上の膜厚では、２０％程度の変化率になる。

本発明は、臨床検査医学分野における、ＰＯＣＴ（Ｐｏｎｔ Ｏｆ Ｃａｒｅ Ｔｅｓｔｉｎｇ）の実現。簡易、ローコストな多項目臨床検査、ＤＮＡ解析、および遺伝子治療のための情報収集等に利用することができる。。

本発明の有機トランジスタ型バイオセンサーの構造を示す模式図である。 本発明の有機トランジスタ型バイオセンサーの構造を示す模式図である。 実施例１における有機トランジスタ型バイオセンサーの構造を示す模式図である。 実施例１における有機トランジスタ型バイオセンサーの電気特性示すグラフである。

符号の説明

１ 基板
２ ゲート電極
３ ゲート絶縁膜
４ ソース／ドレイン電極
５ 半導体層
６ 保護膜
７ａ 表面層
７ｂ 表面層
８ａ ターゲット分子
８ｂ ターゲット分子
９ 開口部
１０ ガラス基板
１１ ゲート電極
１２ ゲート絶縁膜
１３ 有機半導体膜
１４ 保護膜
１５ 金ソース、ドレイン電極
１６ ＰＳＡ抗体表面層
１７ ＰＳＡ抗原

Claims (11)

1. ターゲット分子に対して感応性を有する有機トランジスタを備えたバイオセンサーであって、前記有機トランジスタがゲート電極、ソース電極、ドレイン電極、ゲート絶縁膜および有機物を含む半導体層を有し、前記半導体層が膜厚１００ｎｍ以下で、かつ前記半導体層の表面にターゲット分子に対して感応性を有する表面層が配置されることを特徴とする有機トランジスタ型バイオセンサー。
2. 前記ソース電極、ドレイン電極およびゲート絶縁膜が前記半導体層を挟む様に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の有機トランジスタ型バイオセンサー。
3. 前記表面層が、アミノ基、カルボキシル基、アルデヒド基または水酸基のいずれかを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の有機トランジスタ型バイオセンサー。
4. 前記表面層が有機分子からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかの項に記載の有機トランジスタ型バイオセンサー。
5. 前記表面層が有機分子の自己組織化単分子膜からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかの項に記載の有機トランジスタ型バイオセンサー。
6. 前記表面層が酵素、抗体、抗原、ホルモンおよび蛋白質の一部又は全部を含む有機物からなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかの項に記載の有機トランジスタ型バイオセンサー。
7. 前記表面層がデオキシリボ核酸の一部を含む有機物からなることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかの項に記載の有機トランジスタ型バイオセンサー。
8. 基板上に少なくとも２個以上の有機トランジスタが配置され、第１のトランジスタの半導体層には第１の材料からなる表面層が配置され、第２のトランジスタの半導体層には第１の材料とは異なる第２の材料からなる表面層が配置されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかの項に記載の有機トランジスタ型バイオセンサー。
9. 請求項１乃至７のいずれかの項に記載の有機トランジスタ型バイオセンサーに捕捉されたターゲット分子を検出するバイオセンサー測定方法であって、前記有機トランジスタのゲート電極およびドレイン電極に電圧を印加し、ゲート電圧とドレイン電流を測定して前記トランジスタの特性を評価し、前記バイオセンサーに補足されたターゲット分子の有無または濃度を同定する工程を有することを特徴とするバイオセンサ測定方法。
10. 前記トランジスタの特性の評価は、トランジスタの閾値電圧、ドレイン電流最大値、ドレイン電流最小値、オフ電流値、キャリヤ移動度、サブスレッショルドスイング値、およびその温度依存値、履歴値の少なくとも１つの値を分類することにより、前記ターゲット分子の有無または濃度を同定することを特徴とする請求項９に記載のバイオセンサ測定方法。
11. 前記ターゲット分子を含む液体を前記有機トランジスタの表面層に接触させ、前記ターゲット分子と前記表面層を構成する分子とを結合させる工程を含むことを特徴とする請求項９または１０に記載のバイオセンサ測定方法。

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